Page 81 - 《真空与低温》2025年第5期

620 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

0 引言 1 深层放电脉冲的模拟与测试
深层带电效应是指空间辐射环境中的高能电 现有研究表明深层放电虽然具有较强的随机
子穿过卫星的屏蔽层，在介质材料内部沉积和泄放 性，但放电脉冲总体呈振荡衰减、微秒级持续时间
的现象 [1-3] 。由深层带电效应诱发的静电放电（Elec- 和小电流幅值等特征，典型放电波形如图 1 所示。
trostatic Discharge，ESD）称为深层放电 [4-5] 。我国在 图 1 中的放电脉冲波形是由 1.5 MeV 高能电子辐
开展某型号设备充放电效应评价试验中发现，当星 照卫星功率电缆产生的 ，从图 1 可以看出该放电
[21]
上电子设备直接置于电子辐照下时未观测到设备 脉冲为振荡衰减的波形，持续时间约为 2 μs，最大
工作异常；而当用电子辐照其附近的介质材料并诱发 幅值为 320 mA 左右。
10 余次深层放电时，设备发生多次异常和故障 [6-7] 。
由此可见，深层带电效应主要通过放电脉冲干扰造
成电子设备的异常和损坏。
深层放电脉冲的电流幅值一般较小，但放电通
常发生在卫星内部，对电子器件的作用更为直接，
0.32 A
因此损伤也将更加严重 [8-10] 。我国某同步轨道卫星 2 μs
于 2015 年发生的典型案例“3•17”事件中，该卫星
在短短 9 天内共发生 17 次异常，通过诊断分析，其
中 14 次异常是由高能电子引起的深层放电造成
的 [11-12] 。
鉴于深层放电对卫星电子设备安全的严重影
图 1 典型深层放电脉冲波形
响，长期以来一直是国内外航天机构的研究重点 [13-14] 。
Fig. 1 Typical deep discharge pulse waveform
目前，研究深层放电对电子设备影响的方法有两种。
一是利用电子加速器产生高能电子以模拟空间辐 为有效模拟深层放电脉冲的特征，采用 E1200A
射环境，并用高能电子辐照介质材料进行充电，介 型静电放电发生器对金属平板进行放电，放电脉冲
质击穿时产生的放电脉冲作用于电子器件 [15-16] ，该 通过导线导入 RLC 电路组，利用 RLC 电路对脉冲
方法最为接近空间真实情况，但由于放电具有很强 波形和幅值进行优化调整，最后由电流探头 CT-2
的随机性，脉冲参数的重复性无法控制，不利于开 和示波器 SDS2000X 测试放电脉冲波形，并根据测
展系统的定量研究；二是采用商用 ESD 发生器产 试结果对 RLC 电路进一步改进，模拟装置示意图
生放电脉冲直接作用于电子器件 [17-18] ，虽然商用 如图 2 所示。
ESD 发生器产生的脉冲重复性好，放电参数调节方
便，但其产生的放电脉冲的电流幅值通常为数安培
ESD发生器
至百安培量级，持续时间为百纳秒，且呈线性衰减 放电电极
示波器
的特点 [19-20] ，难以满足深层带电效应产生放电脉冲 ESD发生器
控制单元
的模拟要求。
L
随着卫星性能的不断提升，采用的电子系统集
金属平板 R C 电流
成度越来越高，这不可避免地导致电子器件对电磁 探头
干扰的敏感度增强，而深层放电将严重威胁航天装
备的在轨安全。因此，亟须针对深层放电的特征开
展脉冲模拟及试验方法研究，从而为深层带电效应
图 2 深层放电脉冲的模拟与测试示意图
的危害评估提供技术支持。本文提出采用 RLC 电
Fig. 2 Diagram of deep discharge pulse simulate and test
路对商用 ESD 发生器的放电脉冲进行优化，进行
深 层 放 电 脉 冲 特 征 的 有 效 模 拟， 并 将 其 作 用 于 图 2 中电阻主要用于减小脉冲电流的幅值。
MOS 器件，研究模拟脉冲放电电流对 MOS 器件工 由于 E1200A 型 ESD 发生器控制单元和放电电极
作的影响规律，分析其发生“硬损伤”的机制。 之间的放电电阻 R 0 阻值为 330 Ω，产生放电脉冲的